压电传感器：电路、规格和应用
传感器 是用于检测或感知环境中不同类型物理量的设备。输入可以是光、热、运动、湿气、压力、振动等……产生的输出通常是与应用输入成正比的电信号。此输出用于校准输入或输出信号通过网络传输以进行进一步处理。根据要测量的输入，有各种类型的传感器。基于水银的温度计 充当温度传感器 ，汽车排放控制系统中的氧气传感器检测氧气，光电传感器检测可见光的存在。在本文中，我们将描述压电传感器 .请参阅链接以了解更多关于压电效应的信息。
压电传感器的定义
一种基于压电原理工作的传感器 被称为压电传感器。其中压电是一种现象，如果对材料施加机械应力，就会产生电流。并非所有材料都具有压电特性。
压电材料有很多种。 压电材料的例子 是天然可用的单晶石英、骨等……人工制造的如 PZT 陶瓷等……
压电传感器的工作
压电传感器通常测量的物理量是加速度和压力。压力传感器和加速度传感器都基于相同的压电原理工作，但它们之间的主要区别在于向其传感元件施加力的方式。
在压力传感器中，一个薄膜被放置在一个巨大的基座上，以将施加的力传递给压电元件 .在这个薄膜上施加压力时，压电材料被加载并开始产生电压。产生的电压与施加的压力成正比。
在加速度计 ，地震质量附着在晶体元件上，以将施加的力传递给压电材料。当施加运动时，根据牛顿第二定律，地震质量负载是压电材料 的运动。压电材料产生电荷，用于运动校准。
加速度补偿元件与压力传感器一起使用 因为这些传感器可能会接收到不需要的振动并显示错误读数。
压电传感器电路
上面给出了压电传感器内部电路。电阻 Ri 是内部电阻或绝缘体电阻。电感是由传感器的惯性引起的。电容 Ce 与传感器材料的弹性成反比。为了传感器的正确响应，负载和泄漏电阻必须足够大，以便保留低频。传感器可以称为压力传感器 在电信号中。传感器也称为初级传感器。
压电传感器规格
压电传感器的一些基本特性是
- 测量范围： 此范围受测量限制的约束。
- 灵敏度 S： 输出信号变化 ∆y 与引起变化 ∆x 的信号之比。
S =∆y/∆x。 - 可靠性： 这说明传感器能够在设定的操作条件下将特性保持在特定范围内。
- 灵敏度 S： 输出信号变化 ∆y 与引起变化 ∆x 的信号之比。
除此之外，压电传感器的一些规格是反应阈值、误差、指示时间等……
- 这些传感器的阻抗值≤500Ω。
- 这些传感器通常在大约 -20°C 到 +60°C 的温度范围内工作。
- 这些传感器的温度应保持在 -30°C 至 +70°C 之间，以防止其退化。
- 这些传感器具有非常低的焊接 温度。
- 压电传感器的应变灵敏度为 5V/µƐ。
- 由于石英具有高柔韧性，因此它是压电传感器的首选材料。
使用Arduino的压电传感器
因为我们必须知道什么是压电传感器，让我们看一下使用 Arduino 的这个传感器的简单应用。在这里，我们尝试在压力传感器检测到足够的力时切换 LED。
硬件要求
- Arduino 板 .
- 压电压力传感器。
- LED
- 1 MΩ 电阻。
电路图：
- 这里用红线表示的传感器正极连接到 Arduino 板的 A0 模拟引脚，而用黑线表示的负极接地。
- 一个 1 MΩ 电阻器与压电元件并联，以限制压电元件产生的电压和电流，并保护模拟输入免受不必要的振动。
- LED 阳极连接到 Arduino 的数字引脚 D13，阴极接地。
工作
电路的阈值设置为 100，这样传感器不会因振动小于阈值而被激活。通过这种方式，我们可以消除不需要的小振动。当传感器元件产生的输出电压大于阈值时，LED 会改变其状态，即如果处于高状态，则变为低状态。如果该值低于阈值 LED 不会改变其状态并保持其先前状态。
代码
const int LEDPin =13; //LED 连接到数字引脚 13
const int 传感器 =A0; // 传感器连接到模拟引脚 A0
const int 阈值 =100； // 阈值设置为 100
int 传感器读数 =0; // 存储从传感器引脚读取的值的变量
int ledState =低; // 用于存储最后一个 LED 状态的变量，用于切换灯
void setup()
{
pinMode(ledPin, OUTPUT); // 将 LEDPin 声明为 OUTPUT
}
void loop()
{
//读取传感器并将其存储在变量sensorReading中：
sensorReading =analogRead(Sensor);
// 如果传感器读数大于阈值：
if (sensorReading>=threshold)
{
// 切换状态ledPin 的：
ledState =!ledState;
// 更新 LED 引脚：
digitalWrite(ledPin, ledState);
delay(10000); // 延迟
}
else
{
digitalWrite (ledPin, ledState); // LED 的初始状态，即低电平。
}
}
压电传感器应用
- 压电传感器用于震动检测 .
- 有源压电传感器用于测厚仪、流量传感器。
- 无源压电传感器用于麦克风、加速度计、音乐拾音器等......
- 压电传感器也用于超声成像。
- 这些传感器用于光学测量、微动测量、电声学等……
因此，这就是关于什么是压电传感器、特性、规格以及使用 Arduino 板的传感器的简单接口。这些简单易用的传感器在各种应用中占有一席之地。您是如何在项目中使用这些传感器的？您在使用这些传感器时遇到的最大挑战是什么？
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